JP6015385B2 - 竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、竪型スクラップ溶解炉を用い、コークスの燃焼熱により鉄系スクラップを溶解して溶銑を製造する方法であって、特に、溶銑を低コークス比、高生産性で安定的に製造するための方法に関するものである。

竪型炉によるスクラップ溶解プロセスとして、キュポラ法がある。このキュポラ法は、炉上部からスクラップとコークスを層状または混合して装入し、炉下部に設けられた複数の羽口から熱風を吹き込み、コークスの燃焼熱でスクラップを溶解することにより溶銑を製造する手法である。

キュポラ法では、コークスとして、鋳物用コークスと呼ばれる粒径１５０ｍｍ以上の大径コークスが用いられるが、鋳物用コークスは非常に高価であるため、近年では、小径で安価な高炉用コークスを用いた操業も行われている。

高炉用コークスを用いた溶銑製造方法は、鋳物用コークスと比較して低コストであるという利点があるが、一方で、小径であるため比表面積が大きく、炉内で下式に示すソリューションロス反応が起こりやすいという問題がある。このソリューションロス反応は吸熱反応であるため、一般に鋳物用コークスを用いた場合よりもコークス比が高くなる傾向にある。
Ｃ＋ＣＯ_２→２ＣＯ

竪型スクラップ溶解炉においてコークス比を低下させるためには、ソリューションロス反応量を低減することが重要であり、ソリューションロス反応量を低減する技術として、コークス表面を不活性な物質で被覆する方法（特許文献１）、コークスとスクラップを炉径方向に分離して装入する方法（特許文献２）、コークスと共に耐火レンガ塊を装入する方法（特許文献３）等がある。

特開平８−１３０１５号公報 特開平８−６７９０７号公報 特開２００９−５２０７４号公報

しかしながら、上記特許文献１〜３にはそれぞれ以下のような問題がある。

まず、特許文献１の方法は、コークス表面を不活性な物質で被覆することにより、ガスとの接触をたちソリューションロス反応を抑制する技術であるが、被覆のための設備を原料搬送系に組み込む必要があり、設備の導入・改造や被覆材の調達にコストがかかるという問題がある。また、被覆材の成分が炉下部で溶銑に溶け込み、溶銑中の不純物濃度が上昇するという問題もある。

また、特許文献２の方法は、スクラップとコークスを炉の半径方向に分離して装入し、ガスがコークス層と比較して通気性の高いスクラップ層を優先的に通ることを利用して、コークス層を流れるガス量を減らし、ソリューションロス反応を低減する技術であるが、スクラップとコークスを半径方向に分離して装入するためには、炉頂装入装置の大幅な改造が必要である。また、高温でスクラップが軟化する際に、スペーサーとしてのコークスが存在しないため、融着して通気性の悪化を招く可能性があり、操業が不安定になるという問題もある。

また、特許文献３の方法は、コークスと共に耐火レンガ塊を炉内に装入することで炉下部でのコークスの存在割合を減少させ、ソリューションロス反応を低減する技術であるが、耐火レンガ搬送設備を新設する必要がある。また、耐火レンガ塊を装入する分、スクラップやコークスの装入回数、または装入量を減らす必要があるため、生産性の低下が問題となる。また、スラグ量の増加や、スラグ粘性の変化による塩基度調整、溶銑中不純物の増加などの問題もある。さらに、耐火レンガ塊とコークスの粒度に差がある場合には、空隙率が低下し、炉内の通気性の悪化を招くことになる。

したがって、本発明の目的は、以上のような問題を解決し、大幅な設備改造を必要とせず、溶銑品質に影響を与えずにコークス比を低減し、さらに通気性も改善して高生産性を実現しうる竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような特徴を有している
［１］竪型スクラップ溶解炉において、炉頂部から主たる炉装入原料として鉄系スクラップとコークスとを装入し、炉下部に設けられた複数の羽口から熱風を吹き込み、コークスの燃焼熱で鉄系スクラップを溶解することにより溶銑を製造する方法であって、
前記コークスは、大きい篩目Ａと小さい篩目Ｂである篩目の異なる２段の篩いで篩って得られる、大きい篩目Ａの篩下かつ小さい篩目Ｂの篩上であり、
下記（１）式を満足する粒度のコークスであることを特徴とする竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法。
Ａ／Ｂ≦１．７ ・・・ （１）

［２］小さい篩目Ｂが２０ｍｍ以上であることを特徴とする前記［１］に記載の竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法。

［３］小さい篩目Ｂが２５ｍｍ以上であることを特徴とする前記［２］に記載の竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法。

［４］大きい篩目Ａが８０ｍｍ以下であることを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれかに記載の竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法。

［５］大きい篩目Ａが６０ｍｍ以下であることを特徴とする前記［４］に記載の竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法。

［６］前記コークスは、篩目の異なる３段以上の篩いで篩って得られる、各区間の粒度のコークスであり、それら各区間の粒度のコークスを別々に竪型スクラップ溶解炉に装入することを特徴とする前記［１］に記載の竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法。

本発明においては、大幅な設備改造を必要とせず、溶銑品質に影響を与えずにコークス比を低減し、さらに通気性も改善して高生産性を実現しうる竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法を提供することができる。

すなわち、本発明によれば、竪型スクラップ溶解炉に装入するコークスの粒度をより均一に制御することで、炉下部のコークス充填層における空隙率が上昇し、同領域でのガス流速が低下することにより、ソリューションロス反応が抑制される。ソリューションロス反応は吸熱反応であるため、抑制されることで炉内のエネルギー損失が減り、コークス比を低減することができる。また、空隙率の上昇により炉内通気性が改善し、操業の安定化や生産性を向上させることができる。

本発明で使用する竪型スクラップ溶解炉とその操業形態を示す模式図。 篩目比Ａ／Ｂとソリューションロス反応速度および空隙率の関係を示す図。

本発明は、竪型スクラップ溶解炉において、装入するコークスの粒度を均一に制御することで、炉下部のコークス充填層の空隙率を上昇させ、ガス流速を低下させることでソリューションロス反応を抑制する溶銑製造方法である。

図１は、本発明で使用する竪型スクラップ溶解炉とその操業形態の一例を示す模式図である。図１に示すように、竪型スクラップ溶解炉１では、炉頂装入口７から鉄系スクラップ２とコークス３を装入し、送風羽口４から送風５を行って、出銑口８から溶銑９を出銑する。なお、図１中の６は排ガスである。

このような竪型スクラップ溶解炉１において、ソリューションロス反応は、主に送風羽口４からコークス充填層上面までの領域において起こる。この領域は、スクラップ２の溶解温度である１５００℃以上の領域と一致する。ソリューションロス反応は、１５００℃以上では境膜拡散律速であるため、ガス流速が速いほど反応速度も速くなる。また、単位層体積当たりのコークス数が多いほど反応量も多くなる。ガス流速や単位層体積当たりのコークス数は、コークス充填層の空隙率が上昇するほど低下するため、コークス充填層の空隙率を上昇させることでソリューションロス反応を抑制することができる。

そこで、本発明においては、大小の篩目Ａ、Ｂ（大きな篩目Ａ、小さな篩目Ｂ）を用い、篩目比Ａ／Ｂ≦１．７を満たすようにして、コークスの篩い分けを行うことで、コークス粒度を均一化し、それによって、コークス充填層の空隙率を上昇させて、ソリューションロス反応を抑制し、コークス比を低減するようにしている。

図２に、篩目Ａ、Ｂの平均値（Ａ＋Ｂ）／２が４０ｍｍとなるように篩目Ａ、Ｂを調整して篩目比Ａ／Ｂを変化させ、Ａの篩下かつＢの篩上のコークスを充填させて、コークス充填層の空隙率（図２には単に「空隙率」と記載）とソリューションロス反応速度（図２には単に「反応速度」と記載）を測定した結果を示す。

なお、ソリューションロス反応速度は、竪型スクラップ溶解炉１に各Ａ、Ｂの篩目で篩ったコークス１ｋｇを充填させ、ＣＯ_２／Ｎ_２（＝３０／７０）混合ガスを用いて反応させたときの重量変化より測定した。

図２に示すように、篩目比Ａ／Ｂ≦１．７では、コークス充填層の空隙率が急激に上昇し、ソリューションロス反応速度が効果的に抑制されている。すなわち、篩目比Ａ／Ｂ≦１．７を満たす篩でコークスの粒度を調整することで（すなわち、大きい篩目Ａの篩下かつ小さい篩目Ｂの篩上となったコークスを装入することで）、竪型スクラップ溶解炉におけるコークス比を低減可能であることが分かる。

その際に、本発明で使用するコークスとしては、粒径が大きくソリューションロス反応を起こしにくい鋳物用コークスよりも、粒径が８０ｍｍ以下でソリューションロス反応を起こしやすい高炉用コークスを用いた場合により効果を発揮する。したがって、大きい篩目Ａを８０ｍｍ以下とすることが好ましい。さらには、大きい篩目Ａを６０ｍｍ以下とすることが一層好ましい。

一方、コークスの粒径が小さくなり過ぎると、コークス充填層の空隙率が低下しやすくなるので、小さい篩目Ｂは２０ｍｍ以上とすることが好ましい。さらには、小さい篩目Ｂを２５ｍｍ以上とすることが一層好ましい。

そして、大きい篩目Ａの篩下かつ小さい篩目Ｂの篩上とはならなかった、大きい篩目Ａの篩上や小さい篩目Ｂの篩下は、高炉等で使用することもできるが、篩目の異なる３段以上の篩を用いて、各区間（前後の篩い間）で篩目比Ａ／Ｂ≦１．７を満たすように篩い分けしたコークスを、混ざらないよう時間をずらして竪型スクラップ溶解炉に装入することで、竪型スクラップ溶解炉内で全て使用することができ、そのような方法でも、諸粒度の混在したコークスを装入した場合より、コークス比を低減することができる。

なお、上記のように、篩目の異なる３段以上の篩を用いる場合は、最大の篩目を８０ｍｍ以下とすることが好ましい。さらには、最大の篩目を６０ｍｍ以下とすることが一層好ましい。同じく、最小の篩目を２０ｍｍ以上とすることが好ましい。さらには、最小の篩目を２５ｍｍ以上とすることが一層好ましい。

このように、コークス比が低減し、コークス充填層の空隙率の上昇により、炉内通気性も改善するため、より小粒径のコークスを使用することができ、それによってコストを低減するという方法もとれる。また、通気余力をいかして生産性向上はもちろんのこと、低品位原料の利用による製造コストの低減も可能である。

しかも、本発明は、使用するコークスの篩い分けを行うだけで実施可能であり、篩装置さえ設置すれば、特に既存設備を改造する必要もないため、容易に実施できる。

本発明の実施例として、図１に示した竪型スクラップ溶解炉１を用いて溶銑９を製造した。なお、竪型スクラップ溶解炉１の内径は３．４ｍ、羽口４からストックラインまでの炉高方向距離は８ｍであった。

そして、この実施例では、鉄系スクラップとして、Ｈ２を使用した。なお、Ｈ２以外のスクラップ（ＨＳ、Ｈ１、Ｈ３、Ｈ４）を用いた場合でも、同様の結果が得られた。ちなみに、Ｈ１〜Ｈ４、ＨＳとは、社団法人日本鉄源協会・鉄スクラップ検収統一規格で規格化されたスクラップ種（ヘビー屑）である。

本発明の実施例（実施例１〜３）の操業諸元と実施結果を表１に示す。なお、表１中に記載のｔは、生成した溶銑トンを示す。

（実施例１）
本発明例１は、篩目４０ｍｍ、篩目６０ｍｍの２段の篩いを用いることで、篩目比Ａ／Ｂ≦１．７を満たすようにしたものである。すなわち、本発明例１では、大きい篩目Ａ＝６０ｍｍ、小さな篩目Ｂ＝４０ｍｍ（篩目比Ａ／Ｂ＝１．５）となっている。

そして、大きい篩目Ａの篩下かつ小さい篩目Ｂの篩上として得られたコークスを竪型スクラップ溶解炉１に装入した。

その結果、本発明例１においては、コークス比が２１５ｋｇ／ｔとなり、比較例１のように、粒径３５〜６５ｍｍ（篩目比Ａ／Ｂ＝１．８５）と平均粒径が等しく粒度の幅が広いコークスを装入した場合のコークス比２２３ｋｇ／ｔに比べて、コークス比が８ｋｇ低減している。

（実施例２）
本発明例２は、篩目６０ｍｍ、篩目４０ｍｍ、篩目２５ｍｍの３段の篩いを用いて、それぞれの区間について、篩目比Ａ／Ｂ≦１．７を満たすようにしたものである。すなわち、本発明例２においては、区間１では、大きい篩目Ａ＝６０ｍｍ、小さな篩目Ｂ＝４０ｍｍ（篩目比Ａ／Ｂ＝１．５）となり、区間２では、大きい篩目Ａ＝４０ｍｍ、小さな篩目Ｂ＝２５ｍｍ（篩目比Ａ／Ｂ＝１．６）となっている。

そして、区間１、２ごとに、大きい篩目Ａの篩下かつ小さい篩目Ｂの篩上として得られたコークスを竪型スクラップ溶解炉１に装入した。

その結果、本発明例２においては、区間１、２ごとのコークス比が２１５ｋｇ／ｔ、２３３ｋｇ／ｔで、その平均コークス比が２２４ｋｇ／ｔとなり、比較例２のように、粒径２５〜６０ｍｍ（篩目比Ａ／Ｂ＝２．４）のコークスをそのまま装入した場合のコークス比２３０ｋｇ／ｔに比べて、コークス比が６ｋｇ低減している。

（実施例３）
本発明例３は、篩目７０ｍｍ、篩目４５ｍｍ、篩目３０ｍｍ、篩目２０ｍｍの４段の篩いを用いて、それぞれの区間について、篩目比Ａ／Ｂ≦１．７を満たすようにしたものである。すなわち、本発明例３においては、区間１では、大きい篩目Ａ＝７０ｍｍ、小さな篩目Ｂ＝４５ｍｍ（篩目比Ａ／Ｂ＝１．５６）となり、区間２では、大きい篩目Ａ＝４５ｍｍ、小さな篩目Ｂ＝３０ｍｍ（篩目比Ａ／Ｂ＝１．５）となり、区間３では、大きい篩目Ａ＝３０ｍｍ、小さな篩目Ｂ＝２０ｍｍ（篩目比Ａ／Ｂ＝１．５）となっている。

そして、区間１、２、３ごとに、大きい篩目Ａの篩下かつ小さい篩目Ｂの篩上として得られたコークスを竪型スクラップ溶解炉１に装入した。

その結果、本発明例３においては、それぞれコークス比が２４０ｋｇ／ｔ、２２８ｋｇ／ｔ、２０８ｋｇ／ｔで、その平均コークス比が２２５ｋｇ／ｔとなり、比較例１のように、粒径２０〜７０ｍｍ（篩目比Ａ／Ｂ＝３．５）のコークスをそのまま装入した場合のコークス比２３１ｋｇ／ｔに比べて、コークス比が６ｋｇ低減している。

１ 竪型スクラップ溶解炉
２ 鉄系スクラップ
３ コークス
４ 送風羽口
５ 送風
６ 排ガス
７ 装入口
８ 出銑口
９ 溶銑

Claims (4)

1. 竪型スクラップ溶解炉において、炉頂部から主たる炉装入原料として鉄系スクラップとコークスとを装入し、炉下部に設けられた複数の羽口から熱風を吹き込み、コークスの燃焼熱で鉄系スクラップを溶解することにより溶銑を製造する方法であって、
   前記コークスは、大きい篩目Ａと小さい篩目Ｂである篩目の異なる２段の篩いで篩って得られる、大きい篩目Ａの篩下かつ小さい篩目Ｂの篩上であり、
   前記大きい篩目Ａは、６０ｍｍ以下であり、
   下記（１）式を満足する粒度のコークスであることを特徴とする竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法。
   Ａ／Ｂ≦１．７・・・（１）
2. 小さい篩目Ｂが２０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法。
3. 小さい篩目Ｂが２５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載の竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法。
4. 前記コークスは、篩目の異なる３段以上の篩いで篩って得られる、各区間の粒度のコークスであり、それら各区間の粒度のコークスを別々に竪型スクラップ溶解炉に装入することを特徴とする請求項１に記載の竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法。

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